專利名稱：一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
核磁共振成像設(shè)備(MRI)的基本原理是先讓人體進入磁場之中進行磁化，然后發(fā)射一系列特定頻率的射頻脈沖信號，人體待測部位的氫原子核在射頻信號的激勵下產(chǎn)生共振，吸收能量而發(fā)生磁矩偏轉(zhuǎn)，當(dāng)射頻信號停止后，待測部位的氫原子核會將吸收的能量以電磁信號的形式釋放出來，通過檢測設(shè)備接收該信號來進行處理和成像。射頻放大器作為核磁共振成像設(shè)備的關(guān)鍵部件，根據(jù)系統(tǒng)指定的掃描序列的要求發(fā)射各種翻轉(zhuǎn)角度和不同功率的射頻脈沖信號，任何一臺MRI設(shè)備都必須配備相應(yīng)的射頻放大器?，F(xiàn)有射頻放大器均存在以下的缺點1)功率放大器的效率較低，由于沒有采用包絡(luò)跟蹤技術(shù)，無論信號幅度強或弱，都采用相同的電源電壓，導(dǎo)致小信號輸入時的功放功耗浪費，而且還需要使用水冷散熱；2)大量的模擬電路設(shè)計，其器件的一致性和溫度穩(wěn)定性差，使得補償電路太過復(fù)雜，產(chǎn)品可靠性降低；3)功率合成效率低，一方面由于功率合成之前各功放通道的幅度和相移的不一致性，導(dǎo)致功率合成效率低；另一方面目前采用的集總參數(shù)功率合成器的損耗大，造成功率損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，該射頻放大器通過數(shù)字化信號處理及模塊化結(jié)構(gòu)，大大簡化了設(shè)計，便于規(guī)模生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品的靈活性，同時大大降低了產(chǎn)品成本。本發(fā)明的另一目的是提供一種基于上述數(shù)字化核磁共振射頻放大器的實現(xiàn)方法。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器,主要由依次相連的數(shù)字化信號處理器、基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣、以及大功率功率合成器構(gòu)成，所述數(shù)字化信號處理器包括射頻輸入接口、與射頻輸入接口相連的信號處理模塊、以及與信號處理模塊分別相連的η個接口組件；基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣包括分別與η個接口組件對應(yīng)相連的η個基礎(chǔ)射頻功率放大器；大功率功率合成器包括分別與η個基礎(chǔ)射頻功率放大器對應(yīng)相連的η個合成輸入接口、與η個合成輸入接口均相連的合成單元、以及與合成單元相連的合成輸出端，η為> I的自然數(shù)。所述信號處理模塊包括與射頻輸入接口相連的第一 A/D變換器、以及與η個接口組件均相連的數(shù)字處理模塊和第一微處理器，且第一 A/D變換器與數(shù)字處理模塊相連；所述接口組件包括與數(shù)字處理模塊相連的數(shù)字輸出接口和放大器取樣信號輸入接口、以及與第一微處理器相連的第一數(shù)字接口，且數(shù)字處理模塊和放大器取樣信號輸入接口之間設(shè)置有第二 A/D變換器。所述放大器取樣信號輸入接口用來接收來自基礎(chǔ)射頻功率放大器的射頻取樣信號，并通過第二 A/D變換器后反饋到數(shù)字處理模塊；所述第一數(shù)字接口用來連接各個基礎(chǔ)射頻功率放大器的監(jiān)控接口并通過系統(tǒng)設(shè)備接口與整個核磁共振設(shè)備的主控計算機連接，以完成操作維護及監(jiān)控功能。
所述數(shù)字化信號處理器還包括與第二 A/D變換器相連的合成器取樣信號輸入接口，所述合成器取樣信號輸入接口與合成單元相連，用來接收大功率功率合成器的射頻取樣信號，通過第二 A/D變換器后，反饋到數(shù)字處理模塊，以修改處理各路放大器輸入數(shù)字信號的幅度及相位的方式，使電橋?qū)崿F(xiàn)盡可能理想的平衡，以達到盡可能理想的功率合成效果O所述數(shù)字化信號處理器還包括一個與數(shù)字處理模塊相連的數(shù)字輸入接口，用于接收已被取樣的射頻信號，通過該接口直接送入數(shù)字處理模塊進行處理，而無需再進行A/D變換，從而保證了數(shù)字化信號處理器既可以接收需放大的射頻信號，并進行數(shù)字取樣處理，又可以接收已被數(shù)字取樣后的射頻信號。所述數(shù)字化信號處理器還包括與第一微處理器相連的系統(tǒng)設(shè)備接口，用于連接整個核磁共振設(shè)備的主控計算機，以完成操作維護及監(jiān)控功能。所述基礎(chǔ)射頻功率放大器主要由電源管理器、與電源管理器相連的第二微處理器、以及依次相連的放大輸入接口、D/A變換器、放大器、以及射頻輸出端構(gòu)成，所述D/A變換器和放大器均與電源管理器相連，且放大輸入接口與數(shù)字輸出接口相連，射頻輸出端與合成輸入接口相連。所述基礎(chǔ)射頻功率放大器還包括與射頻輸出端相連的放大器取樣信號輸出接口，且放大器取樣信號輸出接口與放大器取樣信號輸入接口相連，用于將基礎(chǔ)射頻功率放大器的射頻取樣信號傳輸?shù)綌?shù)字化信號處理器。所述基礎(chǔ)射頻功率放大器還包括與第二微處理器相連的第二數(shù)字接口，所述第二數(shù)字接口與第一數(shù)字接口相連，從而使得基礎(chǔ)射頻功率放大器與整個核磁共振設(shè)備的主控計算機的相連，以完成操作維護及監(jiān)控功能?；谏鲜鰯?shù)字化核磁共振射頻放大器的實現(xiàn)方法，包括以下步驟
(a)首先，數(shù)字化信號處理器將需放大的射頻信號進行數(shù)字取樣處理，然后傳輸?shù)交A(chǔ)射頻功率放大器矩陣中的各個基礎(chǔ)射頻功率放大器；
(b)然后，基礎(chǔ)射頻功率放大器將處理后的信號進行放大后，傳輸?shù)酱蠊β使β屎铣?br> 器；
(c )最后，大功率功率合成器將各路放大后的射頻信號進行同相合成后，輸出滿足需求的射頻信號。進一步的，所述步驟(a)中，數(shù)字化信號處理器將輸入信號的包絡(luò)提取出來成形，并通過接口組件送達基礎(chǔ)射頻功率放大器中的電源管理器，然后對輸入信號延遲一個時間τ ;步驟(b)中，電源管理器按照輸入信號的包絡(luò)，及時調(diào)節(jié)功放的電源電壓，從而實現(xiàn)包絡(luò)跟蹤功能，提聞功放的電源效率。進一步的，所述步驟(a)中，數(shù)字化信號處理器，根據(jù)從基礎(chǔ)射頻功率放大器反饋的信息，調(diào)整輸入射頻信號的幅度、相位，并對功放失真進行預(yù)失真處理，從而保證得到所需要的輸出射頻信號。進一步的，所述步驟(a)中，數(shù)字化信號處理器，根據(jù)從大功率功率合成器反饋的信息，調(diào)整輸入射頻信號的幅度、相位，從而保證各路信號在合成輸出端實現(xiàn)同相合成。
綜上所述，本發(fā)明的有益效果是
(1)結(jié)構(gòu)簡單，便于批量生產(chǎn)；
(2)性能及可靠性易于得到保證；
(3)效率高，節(jié)約大量能源；
(4)不再需要復(fù)雜的水冷系統(tǒng)； (5)生產(chǎn)成本及運行成本均將大大降低。


圖I為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框 圖2為本發(fā)明的包絡(luò)跟蹤示意 圖3為2. 5KW射頻放大器示意 圖4為5KW射頻放大器示意 圖5為40KW射頻放大器示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例
如圖I所示，本發(fā)明主要由依次相連的數(shù)字化信號處理器、基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣、以及大功率功率合成器三個部分構(gòu)成，所述數(shù)字化信號處理器包括射頻輸入接口、與射頻輸入接口相連的信號處理模塊、以及與信號處理模塊分別相連的η個接口組件；基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣包括分別與η個接口組件對應(yīng)相連的η個基礎(chǔ)射頻功率放大器；大功率功率合成器包括分別與η個基礎(chǔ)射頻功率放大器對應(yīng)相連的η個合成輸入接口、與η個合成輸入接口均相連的合成單元、以及與合成單元相連的合成輸出端，η為> I的自然數(shù)。本實施例針對η為4時，即包括4只基礎(chǔ)射頻功率放大器，其構(gòu)成最大輸出功率為IOKW的射頻放大器，對構(gòu)成本發(fā)明的三個部分分別進行詳細闡述如下。如圖I所示，關(guān)于數(shù)字化信號處理器
射頻輸入接口與信號發(fā)生器連接，用于接收需放大的射頻信號；信號處理模塊用于對需放大的射頻信號進行處理；接口組件用于向與之相對應(yīng)的基礎(chǔ)射頻功率放大器輸送處理后的數(shù)字信號。信號處理模塊包括與射頻輸入接口相連的第一 A/D變換器、以及與4個接口組件均相連的數(shù)字處理模塊和第一微處理器，且第一 A/D變換器與數(shù)字處理模塊相連。本發(fā)明中，數(shù)字處理模塊是在第一微處理器的控制下智能工作的，它首先將輸入信號的包絡(luò)提取出來成形，并通過傳輸線送至4個接口組件；然后對輸入信號延遲一個時間τ，如圖2所示，并針對不同的基礎(chǔ)射頻功率放大器，按照第一微處理器的指令調(diào)整信號的相位、幅度并對功放失真進行預(yù)失真處理，然后送至相應(yīng)的4個接口組件，并通過接口組件將信號及包絡(luò)信息分別傳送到與之相應(yīng)的各個基礎(chǔ)射頻功率放大器。上述4個接口組件的結(jié)構(gòu)完全相同，均包括與數(shù)字處理模塊相連的數(shù)字輸出接口，用于向與之相對應(yīng)基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣輸送處理后的數(shù)字信號；接口組件不僅包括數(shù)字輸出接口，還包括與第一微處理器相連的第一數(shù)字接口，且第一微處理器又與系統(tǒng)設(shè)備接口相連，并最終連接到整個核磁共振設(shè)備的主控計算機，從而使得各個基礎(chǔ)射頻功率放大器的監(jiān)控接口與整個核磁共振設(shè)備的主控計算機連接，以完成操作維護及監(jiān)控功倉泛。為了接收基礎(chǔ)射頻功率放大器和大功率功率合成器反饋的信息，本發(fā)明還在每個接口組件中均增加了與基礎(chǔ)射頻功率放大器的輸出端取樣點對應(yīng)相連的放大器取樣信號輸入接口，以及在接口組件之外增加了一個與大功率功率合成器合成單元取樣點相連的合成器取樣信號輸入接口，所述放大器取樣信號輸入接口和合成器取樣信號輸入接口均通過第二 A/D變換器與數(shù)字處理模塊相連；由于增加了上述兩個接口，數(shù)字化信號處理器可根據(jù)從基礎(chǔ)射頻功率放大器及大功率功率合成器反饋的信息，調(diào)整輸入信號的幅度、相位，并對功放失真進行預(yù)失真處理，從而保證得到所需要的輸出射頻信號。所述數(shù)字化信號處理器還包括一個與數(shù)字處理模塊相連的數(shù)字輸入接口，用于接收已被取樣的射頻信號，并通過該接口直接送入數(shù)字處理模塊進行處理，而無需再進行A/D變換，從而保證了數(shù)字化信號處理器既可以接收需放大的射頻信號，并進行數(shù)字取樣處理，又可以接收已被數(shù)字取樣后的射頻信號。如圖I所示，關(guān)于基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣
基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣主要由4個結(jié)構(gòu)完全相同的基礎(chǔ)射頻功率放大器構(gòu)成，基礎(chǔ)射頻功率放大器主要由電源管理器、與電源管理器相連的第二微處理器、以及依次相連的放大輸入接口、D/A變換器、放大器、以及射頻輸出端構(gòu)成，所述D/A變換器和放大器均與電源管理器相連，放大輸入接口與數(shù)字化信號處理器的數(shù)字輸出接口相連，射頻輸出端與大功率功率合成器的合成輸入接口相連。上述基礎(chǔ)射頻功率放大器的工作原理為首先通過放大輸入接口接收到數(shù)字化信號處理器傳來的信號以及包絡(luò)信息，然后通過一對D/A變換器將其轉(zhuǎn)換為模擬信號，射頻信號進入放大器放大而包絡(luò)信息則送至電源管理器以控制放大器的供電，經(jīng)放大后的射頻信號通過射頻輸出端傳輸?shù)酱蠊β使β屎铣善?。為了向?shù)字化信號處理器反饋信息，所述基礎(chǔ)射頻功率放大器還增加了與射頻輸出端取樣點相連的放大器取樣信號輸出接口，且放大器取樣信號輸出接口與數(shù)字化信號處理器的放大器取樣信號輸入接口相連。為了與整個核磁共振設(shè)備的主控計算機連接，以完成操作維護及監(jiān)控功能，基礎(chǔ)射頻功率放大器還增加了與第二微處理器相連的第二數(shù)字接口，所述第二數(shù)字接口與數(shù)字化信號處理器的第一數(shù)字接口相連，最終實現(xiàn)基礎(chǔ)射頻功率放大器310與主控計算機的連接。上述基礎(chǔ)功率放大器的輸入，除了現(xiàn)在的數(shù)字信號外，也可以是模擬射頻信號輸入，即將D/A變換器歸入數(shù)字信號處理模塊的情況；但該情況下的整個連接關(guān)系相對于本發(fā)明并未改變，即與本發(fā)明保護的客體完全相同。 關(guān)于大功率功率合成器
大功率功率合成器用于實現(xiàn)從4個基礎(chǔ)射頻功率放大器傳入的4路大功率射頻信號的同相合成，從而得到滿足需求的射頻信號。本發(fā)明中，使用高介電常數(shù)低損耗的介質(zhì)材料填充的帶狀線實現(xiàn)，最常用的為兩路合成及四路合成的設(shè)計，均可以使用1/4波長的3dB電橋?qū)崿F(xiàn)，而具體設(shè)計方法在任何微波電路設(shè)計的書籍中都可以找到，屬于現(xiàn)有成熟技術(shù)，不再贅述。本發(fā)明的關(guān)鍵點是將大功率功率合成器的合成單元取樣點與數(shù)字化信號處理器相連，從而將合成單元中電橋關(guān)鍵點的取樣信號強度反饋到數(shù)字化信號處理器，以修改處理基礎(chǔ)射頻功率放大器輸入數(shù)字信號的幅度及相位的方式，使電橋?qū)崿F(xiàn)盡可能理想的平衡，以達到盡可能理想的功率合成效果。
本發(fā)明使用了包絡(luò)跟蹤技術(shù)，包絡(luò)跟蹤技術(shù)的兩個關(guān)鍵問題是包絡(luò)的形成和電源的管理。包絡(luò)的提取和形成是在數(shù)字化信號處理器的數(shù)字處理模塊中完成的，如圖2所示，電源管理器的關(guān)鍵在于盡可能短的建立和關(guān)閉時延，對一個具體的設(shè)計，假設(shè)電源的建立和關(guān)閉時間為Atl，系統(tǒng)處理時間為At2,若At2大于Λ tl，那么，數(shù)字處理模塊對信號的延時為At2;若At2小于Atl，那么，數(shù)字處理模塊對信號的延時為τ =Atl-A t2;本發(fā)明的基礎(chǔ)射頻功率放大器通過使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)，效率將大大提高，熱耗將大大降低，不僅可以節(jié)省大量能源，而且可以不再需要復(fù)雜的水冷系統(tǒng)。本實施例是針對最大輸出脈沖功率為IOKW的情況來對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明的另一優(yōu)點是可以通過積木方式組成最大輸出功率從幾千瓦到幾十千瓦的滿足各種需求的射頻功率放大器。例如一個輸出功率2. 5KW以下的射頻放大器，只需要一只上述數(shù)字化信號處理器加上一只上述基礎(chǔ)射頻功率放大器即可組成，如圖3所示；一個輸出功率5KW以下的射頻放大器，只需要一只上述數(shù)字化信號處理器加上兩只上述基礎(chǔ)射頻功率放大器和一只兩路合成的上述大功率功率合成器即可組成，如圖4所示；一個輸出功率35至40KW的射頻放大器，則只需用4套IOKW射頻放大器，再加上一只上述數(shù)字化信號處理器和一只上述大功率功率合成器即可組成，如圖5所示，其中，圖5中每個IOKW射頻放大器中的數(shù)字化信號處理器將簡單得多，不僅不需要A/D變換器，而且在軟件和功能方面都簡單得多。根據(jù)合成后系統(tǒng)輸出功率等級的不同，系統(tǒng)的射頻信號頻率也將隨之變化，為此，需要分別使用不同工作頻段和功率電平的數(shù)字化信號處理器、基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣和大功率功率合成器，本發(fā)明可以覆蓋現(xiàn)有所有場強的核磁共振成像設(shè)備。如上所述，便可較好的實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，其特征在于，主要由依次相連的數(shù)字化信號處理器、基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣、以及大功率功率合成器構(gòu)成，所述數(shù)字化信號處理器包括射頻輸入接口、與射頻輸入接口相連的信號處理模塊、以及與信號處理模塊分別相連的η個接口組件；基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣包括分別與η個接口組件對應(yīng)相連的η個基礎(chǔ)射頻功率放大器；大功率功率合成器包括分別與η個基礎(chǔ)射頻功率放大器對應(yīng)相連的η個合成輸入接口、與η個合成輸入接口均相連的合成單元、以及與合成單元相連的合成輸出端，η為≥I的自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，其特征在于，所述信號處理模塊包括與射頻輸入接口相連的第一 A/D變換器、以及與η個接口組件均相連的數(shù)字處理模塊和第一微處理器，且第一 A/D變換器與數(shù)字處理模塊相連；所述接口組件包括與數(shù)字處理模塊相連的數(shù)字輸出接口和放大器取樣信號輸入接口、以及與第一微處理器相連的第一數(shù)字接口，且數(shù)字處理模塊和放大器取樣信號輸入接口之間設(shè)置有第二 A/D變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，其特征在于，所述數(shù)字化信號處理器還包括與第二 A/D變換器相連的合成器取樣信號輸入接口，所述合成器取樣信號輸入接口與合成單元相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，其特征在于，所述數(shù)字化信號處理器還包括一個與數(shù)字處理模塊相連的數(shù)字輸入接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，其特征在于，所述數(shù)字化信號處理器還包括與第一微處理器相連的系統(tǒng)設(shè)備接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 5中任一項所述的一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器,其特征在于，所述基礎(chǔ)射頻功率放大器主要由電源管理器、與電源管理器相連的第二微處理器、以及依次相連的放大輸入接口、D/A變換器、放大器、以及射頻輸出端構(gòu)成，所述D/A變換器和放大器均與電源管理器相連，且放大輸入接口與數(shù)字輸出接口相連，射頻輸出端與合成輸入接口相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，其特征在于，所述基礎(chǔ)射頻功率放大器還包括與射頻輸出端相連的放大器取樣信號輸出接口，且放大器取樣信號輸出接口與放大器取樣信號輸入接口相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，其特征在于，所述基礎(chǔ)射頻功率放大器還包括與第二微處理器相連的第二數(shù)字接口，所述第二數(shù)字接口與第一數(shù)字接口相連。
9.基于上述數(shù)字化核磁共振射頻放大器的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟 (a)首先，數(shù)字化信號處理器將需放大的射頻信號進行數(shù)字取樣處理，然后傳輸?shù)交A(chǔ)射頻功率放大器矩陣中的各個基礎(chǔ)射頻功率放大器； (b)然后，基礎(chǔ)射頻功率放大器將處理后的信號進行放大后，傳輸?shù)酱蠊β使β屎铣善鳎? (c)最后，大功率功率合成器將各路放大后的射頻信號進行同相合成后，輸出滿足需求的射頻信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)字化核磁共振射頻放大器的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟(a)中，數(shù)字化信號處理器將輸入信號的包絡(luò)提取出來成形，并通過接口組件送達基礎(chǔ)射頻功率放大器中的電源管理器，然后對輸入信號延遲一個時間τ ;數(shù)字化信號處理器根據(jù)從基礎(chǔ)射頻功率放大器反饋的信息，調(diào)整輸入射頻信號的幅度、相位，并對功放失真進行預(yù)失真處理，從而保證得到所需要的輸出射頻信號；數(shù)字化信號處理器根據(jù)從大功率功率合成器反饋的信息，調(diào)整輸入射頻信號的幅度、相位，從而保證各路信號在合成輸出端實現(xiàn)同相合成 所述步驟(b )中，基礎(chǔ)射頻功率放大器中的電源管理器按照輸入信號的包絡(luò)，及時調(diào)節(jié)功放的電源電壓，從而實現(xiàn)包絡(luò)跟蹤功能，提高功放的電源效率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器，包括數(shù)字化信號處理器、基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣、大功率功率合成器，所述數(shù)字化信號處理器包括射頻輸入接口、與射頻輸入接口相連的信號處理模塊、與信號處理模塊相連的n個接口組件；基礎(chǔ)射頻功率放大器矩陣包括與n個接口組件對應(yīng)相連的n個基礎(chǔ)射頻功率放大器；大功率功率合成器包括與n個基礎(chǔ)射頻功率放大器對應(yīng)相連的n個合成輸入接口、與n個合成輸入接口相連的合成單元、與合成單元相連的合成輸出端，n為≥1的自然數(shù)。本發(fā)明還公開了一種數(shù)字化核磁共振射頻放大器的實現(xiàn)方法。本發(fā)明通過數(shù)字化信號處理及模塊化結(jié)構(gòu)，大大簡化了設(shè)計，便于規(guī)模生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品靈活性，同時大大降低了產(chǎn)品成本。
文檔編號G01R33/44GK102613974SQ20111002814
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者邱岱, 馬驍 申請人:成都芯通科技股份有限公司